OBJECTIVE
This technical information details the new PID cascade algorithm that can be selected within the OpenTherm page of the RegConfig Configurator.
CASCADE ALGORITHMS FOR HEATING AND COOLING
The following image shows, within the OpenTherm page of the RegConfig, the position of the Heating Cascade Algorithm Control section and the Secondary Heating Temperature Compensation section, closely related to the PID cascade algorithm:
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The cascade algorithm can be of three types:
Parallel functioning: all OpenTherm generators enabled for heating and cooling are required to work simultaneously;
Power cascade: this control can be applied to those generators that are able to return the power output to RegConfig as data point, as the function aims to keep the enabled OpenTherm generators on within a certain power output range;
PID: stands for Proportional – Integral – Derivative. This last control allows you to switch on or off the enabled OpenTherm generators in relation to how close the temperature measured by a sensor (generally positioned in a buffer tank to which all the generators are connected) and the set point is.
Enabled OpenTherm generators are those generators that have a number (which can range from 1, highest priority, to 8, lowest priority) in the Generators section (highlighted in green) on the OpenTherm page and not OFF in the box corresponding to the “Heat/Cool” column. The number indicates the priority of the call, so in the image below G1 and G3 generators have priority 1 (they are called first), while G2 has priority 2 and G4 priority 3:
Attenzione: non utilizzare G0 in quanto è il generatore OpenTherm utilizzato con il prodotto DOT, non con il sistema REG, quindi nella logica di cascata non viene mai considerato.
Warning
Do not use G0 as it is the OpenTherm generator used with the DOT product, not with the REG system, therefore it is never considerate in the cascade logic.
PID CONTROL ALGORITHM
This is a feedback control system, which varies the number of active generators with the aim of maintaining the output temperature of generators to the required set point.
In this specific case, the PI version (without the derivative D) is used.
By changing the P and I parameters, it is possible to control how the system reacts when the measured temperature is different from the set point, which makes this system very flexible.
The system compares the measured temperature with a probe, which must be put in a place where the all the generators arrive (typically a balancing manifold, or the input of an exchanger, or a buffer tank) with the desired set point.
The difference between the two values (measured temperature and set point), called “Error Signal”, is used to determine the number of generators to be activated.
In particular, the system is aware of two factors:
The CURRENT (or “immediate”) value of the Error Signal (proportional action)
The trend over time (the “integral) of the Error Signal (integral action)
Within the OpenTherm page of the RegConfig is the Buffer Tank Compensation Temperature:
The system assumes that the sensor used by the “PID Cascade” algorithm is the same one used by the “Buffer tank compensation temperature” function, and it is therefore set via the “Buffer tank Sensor” parameter.
However, it is important to underline that “PID Cascade” and “Buffer Tank Compensation Temperature” are two different and separate functions, which can operate together or separately (e.g., the “Buffer Tank Compensation Temperature” can be also used for other types of cascade algorithms, and also for Parallel functioning), which incidentally “share” the same sensor, as the requirement for both algorithms is to monitor the “final” temperature provided by the group of generators.
Note
The “Buffer Tank Compensation Temperature” is not the subject of this technical part, which instead focuses on the “PID Cascade”.
Una volta definito il sensore di riferimento per l’algoritmo PI di cascata si può procedere ad inserire i valori che hanno effetto sul valore della variabile in uscita del controllo PI, cioè quanti generatori OpenTherm devono essere accesi e quando:
Pausa tra variazioni (s): la variazione è il cambiamento corrispondente all’accensione o allo spegnimento di un generatore OpenTherm. La pausa tra due variazioni è il tempo minimo che trascorre tra l’accensione o lo spegnimento di un generatore OpenTherm e la successiva accensione (o successivo spegnimento) di un altro generatore OpenTherm. Ad esempio se al tempo x viene acceso un generatore, per il tempo indicato nella casella Pausa tra variazione, l’algoritmo non aggiungerà o toglierà generatori (anche se il risultato del calcolo lo richiederebbe) per dare il tempo ai generatori accesi di andare a regime e di vedere gli effetti sull’impianto;
Pid P (adimensionale): parametro Proporzionale nel calcolo del numero di generatori OpenTherm da accendere o da spegnere. Il parametro proporzionale dipende dalla differenza tra il set point desiderato e la temperatura attuale letta dal sensore utilizzato per il controllo PI:
Pid P = 160 / delta T
quindi se si desidera che con un delta T di 4 K venga subito attivato un generatore, allora il valore di Pid P da inserire è 40 (160 / 4). Più il parametro proporzionale è alto più sarà veloce l’accensione di generatori.
Pid I (adimensionale): parametro Integrale nel calcolo del numero di generatori OpenTherm da accendere o da spegnere. Il parametro integrale completa il parametro proporzionale tenendo conto del tempo che il sistema impiega per avvicinarsi al set point desiderato. Per determinare il parametro Pid I si ipotizzi che il delta T dopo l’accensione del primo generatore sia passato da 4 K a 2 K e che si voglia accendere anche un secondo generatore dopo 5 minuti (ad esempio):
Pid I = 1740 / delta T * T ritardo
quindi se si considera un delta T pari a 4 K e un T ritardo di 5 minuti prima di attivare un secondo generatore, allora il valore di Pid I da inserire è 87 (1740 / 4 * 5). Più il parametro Pid I è basso più tempo passerà prima di aggiungere un ulteriore generatore.
NB: i valori 160 e 1740 sono stati ricavati da formule implementate per questo specifico algoritmo!
N. Generatori Start: indica il numero di generatori che vengono accessi partendo dalla condizione “tutti i generatori OpenTherm sono spenti”. Ad esempio si ipotizza di porre il numero di generatori Start pari a 2: si è nella condizione “tutti i generatori OpenTherm sono spenti” e l’algoritmo di cascata ha come risultato l’accensione di un solo generatore, però come minimo ne accende 2 contemporaneamente. Dopo l’accensione (e quindi perlomeno dopo il tempo indicato da “Pausa tra variazioni”) l’algoritmo potrà valutare se il numero di generatori è congruo alla richiesta dell’impianto (e quindi lasciarlo invariato), oppure diminuirlo o aumentarlo; il numero di generatori allo start è utile nel caso in cui ci siano impianti con molti generatori. Si supponga di avere un impianto con 8 generatori: se il sistema parte con un solo generatore e poi ogni “Pausa tra variazioni” (tipicamente 3 minuti) ne aggiunge un altro, passeranno almeno 21 minuti prima che il sistema vada a pieno regime; impostando invece il numero iniziale a 4 il sistema parte subito con 4 generatori, e poi si deciderà se aumentare tale numero (e comunque al massimo in 12 minuti andrebbe al massimo) o diminuirlo.
N. Generatori Minimo: indica il numero minimo di generatori attivi. Se per esempio è impostato su 3 e attualmente sono attivi 3 generatori, anche se l’algoritmo di cascata determinasse la necessità di spegnere un ulteriore generatore, non ne verrebbe spento nessuno; detto in altro modo non verrebbero mai lasciati accesi meno di 3 generatori (nota bene: si intende che il sistema REG abilita 3 generatori i quali possono poi decidere di spegnere la fiamma/il compressore, perché determinano che la loro temperatura di mandata è soddisfatta);
N. Generatori Massimo: indica il numero massimo di generatori che possono essere contemporaneamente accesi. Se sono abilitati 5 generatori, ma il numero massimo è pari a 3 significa che al massimo l’algoritmo può accendere 3 generatori anche se ne servirebbero 4. Questa scelta ha come conseguenza diretta il fatto che il set point potrebbe non essere mai raggiunto o potrebbe essere raggiunto, ma in un arco di tempo molto lungo.
I parametri Power e Temperatura degradata fanno riferimento all'algoritmo di controllo Cascata di Potenza, quindi i valori inseriti vengono ignorati in caso si selezioni l’algoritmo di controllo PI di Cascata.
Il risultato delle impostazioni effettuate è visualizzato nella parte in alto a destra della pagina OpenTherm “Stato Richiesta Generatori”:
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Abilita Set/Riscaldamento: se il quadrato ha la spunta significa che c'è una richiesta ai generatori e nel rettangolo a destra è indicato il set point richiesto. Per le pompe di calore il set point è di riscaldamento o di raffrescamento. Se il quadrato non è spuntato e il set point è a zero significa che dai circuiti non sta arrivando nessuna richiesta a OpenTherm.
Abilita Set/Sanitario: se il quadrato ha la spunta significa che c'è una richiesta ai generatori e nel rettangolo a destra è indicato il set point richiesto per la produzione di Acqua calda Sanitaria. Se il quadrato non è spuntato e il set point è a zero significa che dai circuiti o dalla pagina ACS non sta arrivando nessuna richiesta a OpenTherm.
Numero Generatori attivi (cascata): indica quanti generatori sono stati attivati per la cascata in riscaldamento o in raffrescamento (non per la produzione ACS).
l’ultimo rettangolo in basso (riquadro giallo) è il countdown della pausa tra variazioni in centesimi di secondo.
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Facendo sempre riferimento all'immagine relativa alla sezione Generatori della pagina OpenTherm:
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si fa presente quanto segue:
la produzione di Acqua Calda Sanitaria non risponde all'algoritmo di cascata PI;
l’algoritmo PI accende i generatori OpenTherm in base alla priorità inserita e in base alla richiesta selezionata in terza colonna (Solo Riscaldamento, solo Raffrescamento o Sempre).
Nella parte inferiore della pagina OpenTherm si riporta per ogni generatore il risultato delle richieste di riscaldamento/raffrescamento e ACS (riquadro rosso) e il feedback dai generatori verso il sistema REG (giallo):
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Evidenziato in rosso si trova:
la richiesta di R = Riscaldamento, A = ACS e C = Condizionamento;
la temperatura richiesta in riscaldamento o raffrescamento [°C];
la potenza richiesta in riscaldamento o raffrescamento [%].
Se il generatore viene chiamato per la sola produzione ACS sia la temperatura richiesta che la potenza sono a zero, i valori che vengono passati in caso di produzione ACS sono quelli che si visualizzano in Stato Richiesta Generatori (in alto a destra nella pagina OpenTherm).
La pagina OpenTherm può gestire sia caldaie mediante protocollo OpenTherm (senza firmware dedicato) sia pompe di calore o caldaie mediante protocollo Modbus con firmware dedicato. In giallo si evidenziano i valori trasmessi dalla caldaia o dalla pompa di calore e sono strettamente legati a come il produttore dei generatori ha implementato il protocollo OpenTherm sulla caldaia o il protocollo Modbus sulla pompa di calore/caldaia (fare sempre riferimento alla documentazione del generatore a riguardo o nel caso di firmware dedicati alla documentazione fornita con il firmware). Passando con il mouse sopra i vari rettangoli/quadrati compare un tag con una descrizione estesa:
Stato Generatore: indica in che stato si trova il generatore (G = guasto, R = riscaldamento, SA = Acqua sanitaria, F = fiamma, C = condizionamento, ecc.). Se non implementato nessun quadrativo verrà popolato con le spunte.
Temperatura mandata, Temperatura ritorno, Temperatura ACS [°C]: sono le letture dei sensori del generatore se presenti e/o se mappate nel firmware dedicato.
Pot.: potenza erogata dal generatore in %, in kW elettrici, in kW termici (fare riferimento al manuale del produttore della caldaia o al manuale del firmware dedicato).
Errore OT: errori Opentherm più frequenti (Ra = richiesta assistenza, Rr = reset remoto abilitato, Bp = Bassa pressione acqua, ecc.). Nel caso di firmware dedicato fare riferimento alla documentazione fornita per la decodifica.
Errore OEM: indicazione del numero dell’errore, fare riferimento al manuale del generatore per la diagnostica o alla documentazione del firmware dedicato.
Reset: reset dell’errore, funziona solo se implementato o se la caldaia lo gestisce, fare riferimento al manuale del generatore per la diagnostica o alla documentazione del firmware dedicato.
ESEMPIO
Si ipotizza di avere selezionato 1 come numero di generatori Start e Minimo, mentre il numero Massimo è 9:
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L’impianto in oggetto ha 4 generatori OpenTherm:
G1 e G3 hanno priorità 1, G1 è abilitato solo in Riscaldamento, mentre G3 è sempre disponibile
G2 ha priorità 2 ed è disponibile solo in Raffrescamento
G4 ha priorità 3 ed è sempre disponibile
Partendo dalla condizione in cui tutti i generatori OpenTherm sono spenti la sequenza di accensione è la seguente:
In Estate G3 → G2 → G4
In Inverno G1 → G3 → G4
A parità di priorità l’accensione segue l’ordine numerico dei generatori per la prima accensione, mentre per le successive accensioni i generatori vengono fatti ruotare.
In Estate nessun generatore ha la stessa priorità, quindi l’ordine sarà sempre lo stesso (G3 → G2 → G4).
In Inverno G1 e G3 hanno la stessa priorità, durante la prima accensione la sequenza è G1 e poi G3, alla seconda accensione verrà acceso prima G3 e poi G1. G4 seguirà sempre in quanto ha una priorità più bassa.
Per quanto riguarda lo spegnimento vale la regola del “First On First Off”, quindi, prendendo il caso invernale, se per primo è stato acceso G1 poi G3 e infine G4, il primo a spegnersi sarà G4 in quanto ha priorità più bassa, poi tra G1 e G3 (che hanno la stessa priorità) il primo a spegnarsi è il primo che si era accesso, quindi G1.
Per quanto riguarda i parametri del controllo PI si è deciso di inserire 600 s, il che significa che per almeno 10 minuti dopo l’accensione o lo spegnimento di un generatore il sistema non modificherà il numero di generatori accesi. Mentre il delta T per cui il sistema deve subito inserire un generatore è 2 K, quindi si utilizza il valore 80 per Pid P, il tempo di ritardo per l’accensione del secondo generatore è di circa 20 minuti inserendo un Pid I di 40.